wim de boer, karlsruhekosmologie vl, 04.02.2010 1 gravitationslinsen rotationskurven direkter...

Wim de Boer, Karlsruhe Kosmologie VL, 04.02.2010 1

Gravitationslinsen

Rotationskurven

Direkter Nachweis der DM ( Elastische Streuung an Kernen)

Indirekter Nachweis der DM ( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie)

Nachweismethoden der DM


• 95% of the energy of the Universe is non-baryonic 23% in the form of Cold Dark Matter

• Dark Matter enhanced in Galaxies and Clusters of Galaxies but DM widely distributed in halo-> DM must consist of weakly interacting and massive particles -> WIMP’s

• Annihilation with <σv>=2.10-26 cm3/s, if thermal relic

From CMB + SN1a + surveys

DM halo profile of galaxycluster from weak lensing

If it is not darkIt does not matter

What is known about Dark Matter?


Thermische Geschichte der WIMPS

Thermal equilibrium abundance

Actual abundance

T=M/22Com

ovin

g nu

mbe

r de

nsity

x=m/T

Jung

man

n,K

amio

nkow

ski,

Grie

st, P

R 1

995

WMAP -> h2=0.1130.009 -> <v>=2.10-26 cm3/s

DM nimmt wieder zu in Galaxien:1 WIMP/Kaffeetasse 105 <ρ>. DMA (ρ2) fängt wieder an.

T>>M: f+f->M+M; M+M->f+fT<M: M+M->f+fT=M/22: M decoupled, stable density(wenn Annihilationsrate Expansions- rate, i.e. =<v>n(xfr) H(xfr) !)

Annihilation in leichtere Teilchen, wieQuarks und Leptonen -> 0’s -> Gammas!Einzige Annahme: WIMP = thermischesRelikt, d.h. im thermischen Bad des frühen Universums erzeugt.


How do particles annihilate?

~~e+

e-

q

q

LEP collider:e+e- annihilation ~~

~~

ee

e

photon annihilation

In CM: Eq=Eemonoenergetic quarksfrom monoenergetic leptons

Quarks fragment into jets,mostly light mesons:π+,π-,π0

π0 decays 100% in 2 photonsSo as many photons as charged particlesfrom annihilationOn average: 37 photons pro annihilation into quarks at LEPSpectral shape VERY WELL MEASURED


DM Annihilation in Supersymmetrie

Dominant + A b bbar quark pair

B-Fragmentation bekannt!Daher Spektren der Positronen,Gammas und Antiprotonen bekannt!

f

f

f

f

f

f

Z

Z

W

W 0

f~ A Z

Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 1040 x B-Fabrik

≈37 gammas


Indirect Dark Matter Searches Annihilation products fromdark matter annihilation:

Gamma rays(EGRET, FERMI)

Positrons (PAMELA)

Antiprotons (PAMELA)

e+ + e- (ATIC, FERMI, HESS, PAMELA)

Neutrinos (Icecube, no results yet)

e-, p drown in cosmic rays?


Pamela, arXiv:1001.3522v1

PAMELA Positron excess


Origin?

Depends on whom you ask!

My assumption:

|Data>= ap->0 |Background> + aDMA |DMA>+ asec |SNR> + alocal |SNR(x)> + apulsar |Pulsar>

Unitarity must be fulfilled. However, each component has enough uncertainty

to saturate observations

For details: WdB, AIP Conf.Proc.1200:165-175,2010. arXiv:0910.2601 [astro-ph.CO]


AMS: large magn. spectrometer with redundant particle ID


Testflight 1998

AMS to be installed on ISS

Schedule:Transport withST-134 SpaceShuttle Flightin April 2011


AMS-02 from CERN to Cape Canaveral on 26.08.2010

Loading the 7.5 tons at Geneva airport


GALPROP Antiprotons Donata et al. [0810.5292]

Antiprotons: saturated by background?

GALPROP (with and without) convection has deficit ofantiprotons. Darksusy and others (which only look into charged particles, no gamma rays) can saturate data.

Pamela

Geb

auer

and

WdB

,arX

iv:0

910.

2027


Propagation of charged cosmic rays (CR)

Present models use isotropic propagation, i.e. same diffusion constant in halo and disc.

This does not allow for significant convection, since CR‘s do not return to disc->too little secondary productionfrom CR hitting gas in discHOWEVER, significant convection observed by ROSATCRs propagation can be

described by diffusion and convection, very much like a drop of ink inside streaming water (with water velocity=convection velocity)

Radiaactive clocks like 10Be determine time from source to Sun (107 yrs) Need slow diffusion in disc, but particlesin halo drift to outer spacewith convectionWith convection little flux of charged particles from DMA, since particles drift away.


Present models: isotropic propagation

Is this right?

Isotropic propagation leads to “propagation enhancement”:of charged particles: trapping of chargedparticles in “leaky” Galaxy for a long time->

Flux of gamma rays from DMA Flux of antiprotons in such propagation models,

Although we KNOW from LEP that fragmentationgives many more photons than antiprotons

Not nessarily!

CONVECTION = negligible with isotropic propagation in contrast to observation


Diffuse gamma rays

Great advantage of pointing to the source and propagation is „straightforward“ without dependence on magnetic field and diffusion,which plagues charged particles.

Astrophysical point sources can be pinpointed and subtracted.


R

Sundisc

Basic principle for indirect dark matter searches

R

Sun

bulge disc

From rotation curve:

Forces: mv2/r=GmM/r2

or M/r=const.for v=cons.and(M/r)/r2

1/r2

for flat rotation curve

Expect highest DM densityIN CENTRE OF GALAXY

IF FLUX AND SHAPE MEASURED INONE DIRECTION, THEN FLUX ANDSHAPE FIXED IN ALL (=120) SKY DIRECTIONS!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

R1

THIS IS AN INCREDIBLE CONSTRAINT, LIKE SAYING I VERIFYTHE EXCESS AND WIMP MASS WITH 180 INDEPENDENT MEAS.


Data driven analysis of gamma ray data(publicly available from NASA archive)

Idea: Fit known shapes of 3 main components:

Inverse Compton:(IC) CR electron density x ISRFBremstrahlung:(BR) CR electron density x gas densityPCRPGas scattering:(0) CR proton density x gas density

Main unknowns: CR electron density CR proton density(both measured locally, i.e. at a single point in Galaxy)

Alternative to data driven analysis: compare data with Galactic Propagation ModelBest publicly available model: GALPROP (Moskalenko,Strong…)


Background mainly in disk


Usual astrophysicist’s search strategies

Particle physicist: get rid of modeldependence by DATA DRIVEN calibration


Boostfactor by DM clumping

An artist picture of what we should see if our eyes were sensitive to 3 GeV gamma rays: clumps of DMin diffuse DM halo (from hierarchical growth of galaxy combined with tidal disruption of clumps

diffDM

clumpclump


How to calculate DMA flux?


Woher erwartet man Untergrund?

Quarks fromWIMPS

Quarks in protons

Background from nuclear interactions (mainly p+p-> π0 + X -> + X inverse Compton scattering (e-+ -> e- + ) Bremsstrahlung (e- + N -> e- + + N)Shape of background KNOWN if Cosmic Ray spectra of p and e- known


Instrumental parameters:

Energy range: 0.02-30 GeVEnergy resolution: ~20%Effective area: 1500 cm2

Angular resol.: <0.50

Data taking: 1991-1994Main results: Catalogue of point sourcesExcess in diffuse gamma rays

EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope.)Data publicly available from NASA archive

EGRET excessHunter et al. 1997


Untergrund + DM Annihilation beschreiben Daten

Blue: background uncertainty

Background + DMA signal describe EGRET data!

Blue: WI MP mass uncertainty

50 GeV

70

ICIC

W. de Boer et al., 2005


FERMI measures GeV gamma rays + electrons

e+ e–


FERMI diffuse spectra from Galactic centre

without DMA with DMA

DMA60 GeV

neutralino

IsotropicIsotropic

0+IC+BR


What is DM haloprofile?

Given DM contribution in 120 directions, can one determine haloprofile?Procedure: i) assume haloprofile ii)normalize to rotation curveiii) calculate l.o.s. of gamma rays in 960 directionsiv) find optimum haloprofile parameters by minimum 2

Result: 1) NFW haloprofile for diffuse DM (>90% of mass) and signal 2 +2) clumpy halo profile with Einasto profile (5% of massand signal +3) two doughnut-like ring structures with few % of mass


FERMI provides DM contribution in all directions->HALO PROFILE

Motivation for “outer ring”: Monocerus ring of stars (SDSS, 2002), discussed as tidal disruption of Canis Major dwarf AND gas flaring

NFW (diffuse)+Einasto (clumps)(expected from N-body simulations)

innerring outer

ring

Motivation for “inner ring”: dust ring

=

unexpected


Web

er, T

hesi

s, 2

010.

KIT

Rotation curve Milky Way

Oort limit on local densityprevents larger DM contr.

VLBI point

NFW or others

Weber, dB, arXiv:0910.4272

(Hipparcos data)


A. Honma et al, PASJ 2007, Astrometry of Galactic Star-Forming Region Sharpless 269 with VERA:Parallax Measurements and Constraint on Outer Rotation Curve at 13 kpc

VERA: VLBI Exploration of Radio Astrometry

VLBI = Very LargeBaseline Interferometryallows very precise parallaxmeasurements.Maser light fromMolecular Clouds allowslarge distance interferometry

Measured parallax of 1896asat distance of >5 kpc over 1 yr-> rotation velocity

Japan


Dust ring at 4 kpc

Inner Ring coincides with ring of dust and H2 -> gravitational potential well!

H2

4 kpc coincides with ring ofneutral hydrogen molecules!H+H->H2 in presence of dust->grav. potential well at 4-5 kpc.


The Milky Way and its satellite galaxies

Canis Major

Tidal force ΔFG 1/r3


Tidal streams of dark matter from CM and Sgt

CM

Sgt

Sun

From David Law, Caltech


Canis Major Dwarf orbits from N-body simulationsto fit visible ring of stars at 13 and 18 kpc

Canis Major leaves at 13 kpc tidal stream of gas(106 M☉ from 21 cm line), stars (108 M☉ ,visible), dark matter (1010 M☉, EGRET)

Movie from Nicolas Martin, Rodrigo Ibatahttp://astro.u-strasbg.fr/images_ri/canm-e.html


Core of Canis Major Dwarf just below Galactic disc


Tidal disruption of Sagittarius

Movie from Kathryn Johnston (Wesleyan University )http://astsun.astro.virginia.edu/~mfs4n/sgr/


N-body simulation from Canis-Major dwarf galaxy

prograde retrograde

Obs

erve

d st

ars R=13 kpc

Canis Major (b=-150)


Gas flaring in the Milky Way

no ring

with outer ring

P M W Kalberla, L Dedes, J Kerp and U Haud, arXiv:0704.3925

Gas flaring needs also outer ring with mass of 2.1010M☉!

Mass in ring few % of total


Summary

Fermi data show excess of diffuse Galactic gamma rays w.r.t GALPROP (see also DM claim using Fermi data by Goodenough and Hooper, arX 0910.2998)

Excess compatible with DMA (using data driven spectral shape fits instead of relying on GALPROP (but systematic errors in FERMI data?).

DMA interpretation compatible with rotation curve (RC) if doughnut-like DM structures used in disc, as required independently by new data on rotation curve and gas flaring.

Conclusion saying no excess in antiprotons is model dependent.GALPROP still allows up to 50% of antiprotons from DMA

HOWEVER, FERMI DATA PREL. WAIT FOR NEXT REPROCESSING WITH BETTER BG REJECTION FOR ANY CONCLUSION


Clustering of DM

An artist picture of what we should see if our eyes were sensitive to 3 GeV gamma rays and we are flying with 220 km/s (=speed of sun) through the DM halo

Diemand et al., Nature 2005,astro-ph/0501589:

The earth passes through a dark matter mini-halo every 10,000 years, an encounter which lasts for about 50 years, therefore most of the time the earth is within an UNDERDENSE region of dark matter.

Consequently the averaged DM density on a large scale (from the rotation curve) has very little to do with the LOCAL DM density!


Es gibt interessante Hinweise für Teilchencharakterder DM:

a)Überschuss an Gammastrahlung von EGRET gemessen (aber FERMI misst weniger und Konsistenz mit Antiprotonenfluss steht nach aus, abhängig vom Propagationsmodell)

b) Jährliche Modulation der Signale in Libra/DAMA (aber inkonsistent mit anderen Experimenten)

c)Überschüsse in Positronen (PAMELA Satellit) (aber Pulsare oder andere Quellen bieten gute Lösung)

Zusammenfassung


Zukunft

Sind Beobachtungen konsistent mit SUPERSYMMETRIE?

LHC Experimente werden ab 2011 klären ob dies stimmt.

Antwort: Wenn ja,dann hat WIMP Eigenschaften vermutlich ähnlich einem Spin ½ Photons, d.h.


1. „The dark ages“: Vom Begriff her entsteht der Eindruck, dass mit der Rekombination das Universum quasi schlagartig dunkel wurde. Tatsächlich muss es jedoch noch für eine ganze Weile sehr hell und heiß gewesen sein. Von t = 380.000 yr (Rekombination) mit T ≈ 3.000 K (weißglühend) bis zur Rotglut (T ≈ 750 K) bei t ≈ 4 Myr war das Universum von sichtbarer Strahlung erfüllt. Allerdings dauerte es dann ≈ 200 Myr, bis die ersten Sterne leuchteten.

2. Neutrinomasse: Die durchschnittliche Neutrinomasse beträgt (aus WMAP-Messungen) mν < 0.23 eV. Da Elektronneutrinos vermutlich die geringste Neutrinomasse besitzen, müsste deren Masse deutlich unter 0.23 eV liegen. Im Großexperiment KATRIN soll die Masse der Elektronneutrinos bzw. deren Obergrenze bestimmt werden, wobei die Nachweisgrenze von KATRIN bei 0.2 eV liegen soll. Wenn die Auswertung der WMAP-Daten korrekt ist, wäre damit KATRIN überflüssig, oder?

A: eine unabhängige Bestätigung, dass die Neutrinomassen tatsächlich so klein sind, ist immer gut.

Fragen


3. Polarisation der CMB: Die Polarisation setzt m. E. voraus, dass Elektronen in der LSS in lokalen Bereichen keine stochastische Bewegung ausgeführt haben bzw. deren Spins nicht isotrop verteilt waren, da ansonsten die CMB-Polarisation „random“ sein müsste. Was wären Ursachen für großräumige Bereiche von Anisotropien der Elektronen-Flüsse?

A: Die relative Bewegung der Photonen besitzt durch die CMB Anisotropie (vor allem Quadrupolasymmetrie) eine bevorzugte Richtung gegenüber Elektronen, wodurch eine Polarization entsteht.

4. Annihilation von Materie/Antimaterie: Protonen und Antiprotonen wurden bis auf wenige 10-10 durch Annihilation in Photonen umgewandelt. Derselbe Prozess hat für Elektronen und Positronen stattgefunden. Erstaunlich ist, dass offenbar exakt der identische winzige Anteil η an Elektronen „übriggeblieben“ ist, wie der der Protonen, denn sonst wäre das Universum nicht elektrisch neutral. Woher kommt die identische Asymmetrie für Protonen/Elektronen und deren Antiteilchen? (Klar: Im Urknall war das Universum auch elektrisch neutral, aber warum ist die Asymmetrie identisch?)

A: Man geht davon aus, dass es eine B-L Symmetrie gibt, d.h. B-L=konstant. Hier ist B die Baryonzahl und L die Leptonzahl. Diese Symmetrie erzeugt oder vernichtet immer gleich viele Leptonen und Baryonen. B-L ist in allen bekannten Wechselwirkungen erhalten (und von den einfachsten GUT's vorhergesagt).

Fragen


Fragen

5. Der Urknall: Vor der inflationären Phase war auf kleinstem Raum immense Energie (= Masse) konzentriert. Der Schwarzschild-Radius dieser Masse war jedoch wesentlich größer als die Ausdehnung der Massenkonzentration. (Beispiel: Bereits für m ≈ 10 μg ist der Schwarzschildradius rc = Planklänge lP). Also hätte es eigentlich bei einer derartig hohen Massenkonzentration, wie sie bei τP vorlag, gar nicht zu einem Big Bang kommen dürfen. (Aus einem Schwarzen Loch entweicht nichts!) Oder aber, die Energie/Masse, die sich im Urknall ausgebreitet hat, ist erst während des Urknalls entstanden (Umwandlung „falsches Vakuum“ in Energie?). Dann müsste lokal die Massenkonzentration immer kleiner als die kritische „Schwarzschild-Masse“ gewesen sein, d.h. bereits zur Zeit der Quantenfluktuationen dürften recht kleine Raumbereiche in der Regel nicht in kausalem Kontakt mit Nachbarbereichen gestanden haben. Die daraus resultierenden Irregularitäten wurden dann „eingefroren“ und sind heute in der CMB nachweisbar. Oder aber, ganz einfach: Die gesamte Masse des Universums war bei t = τP in einem Raumbereich lP konzentriert, der Schwarzschildradius dieser Masse entsprach aber bereits seiner heutigen Dimension, d.h., der Big Bang lief in einem Schwarzen Loch ab. Aber dann: Woher kommt diese Masse?

A: gute Frage. Universum so groß wegen Inflation, die nach einer Symmetriebrechung entstand, z.B. die Brechung einer GUT Symmetrie in die bekannten Kraefte. Bei der Symmetriebrechung entstehen Higgsfelder, die die Austauschteilchen Masse geben und so die Kraft ausschalten, aber gleichzeitig durch die Vakuumenergie Inflation hervorrufen und die freiwerdende Energie in Masse umwandeln.D.h. vor der Inflation war noch keine Masse vorhanden und Gesamtenergie null.Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass Urknall in einem SL stattfand (siehe nächste Folie).


Größe und Dichte eines schwarzen Loches.

Radius eines SL:R = 2GM/c2, d.h. wächst mit Masse!

Masse unseresUniversums, die kritische Dichte von 10-

29 g/cm3 (1023 M☼) entspricht,liegt auf diese Linie, d.h. es ist nicht ausgeschlossen, dass wirin einem SL leben. J. Luminet


Fragen6. Kosmische Zeitskala: Eine Zeitskala ist abhängig von der Stärke des Gravitationsfeldes in dem Bereich, in dem die Zeit gemessen wird. Aufgrund der extremen Massenkonzentration im frühen Universum müsste für große z eine andere (verzögerte) Zeitskala gelten als heute. Oder könnte eine solche Zeitdilatation lediglich ein „äußerer“ Beobachter feststellen? (den es natürlich grundsätzlich nicht geben kann.) A: die unterschiedlichen Zeitskalen können nur gemessen werden von zwei Beobachtern, die „Frequenzen von Gammastrahlen“ miteinander vergleichen. Daher praktisch schwierig.7). Energie der Neutrinos aus der Entkopplung: Die Energie der

Photonen aus der LSS skaliert mit 1/S (λS) Da Neutrinos Ruhmasse besitzen, müsste deren gesamte Energie bei der Entkopplung nahezu vollständig Ekin sein ( 2.5 – 3.5 MeV). Die Neutrinos müssten dann kinetische Energie verlieren, also mit der Zeit langsamer werden. Wird diese Energie dem Raum übertragen (Energieerhaltung!), also z.B. durch Zunahme der Vakuumenergie? Oder müssen wir Neutrinos hier quantenmechanisch betrachten und wie bei Photonen der Neutrinoenergie eine „Frequenz“ zuordnen, die S abnimmt?

A: relativistische Materie geht mit 1/S4, nicht relativistische mit 1/S3. Daher werden die Neutrinos, wenn sie relativ. sind, erst mit 1/S4 skalieren /wie Photonen) und bei Temp. T<mν als 1/S3

(wie Teilchen).


Deep questions (siehe „Creation“ von Berry Parker)

Hat das Universum als Vakuumfluktation angefangen?Diese Idee wurde von Ed Tryon publiziert.Im Prinzip ok, da Gesamtenergie des Universums nullund Vakuumenergie könnte zur Inflation führenSchwierig zu beweisen, vor allem weil Quantumgravitationnoch nicht existiert.Wie entstand Leben?1860: Franz. Akademie vergibt Preis für Beweis, dassLeben aus Nicht-Leben entstehen kann. Pasteur zeigte im Labor, dass dies unmöglich ist. Wurde akzeptiert bis in 1924 Haldane spekulierte, dass a) es viel Kohlenstoff gab und daher viel CO2 im frühen Universum und b) dass Lichtblitze in einer “reduzierenden” Atmosphäre (aus CH4 und NH3 ohne O2)biochemische Moleküle erzeugen können! Sauerstoff tatsächlichspäter entstanden durch Algen im Ozean, wo sie für UV Licht geschütztwaren. O2 stieg auf und ergab Ozon, woduch später auch Leben außerhalbder Ozeane entstehen konnte. Nachweis in 1953+x bei Miller, dass in soeiner Atmosphäre tatsächlich Aminosäure entstehen können. In 1961 zeigte Oro, dass auch DNA entstehen können und damit dass die Bausteinedes Lebens aus Nicht-Leben entstehen können.


Typische Prüfungsfragen

Was sind die exp. Grundpfeiler der Urknalltheorie?Wie ist Zeitentwicklung, Temperaturentw. ?Wie lauten Friedmansche Gleichungen?

Woraus besteht die Energie des Universums?

Wie weiss man das?

Wie unterscheidet sich Dunkle Energie von Dunkler Materie?

Wie kann man DM nachweisen?

Warum akustische Peaks in der CMB?

Wie entstehen sie? Was lernt man aus diesen Peaks?

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